JP2014107878A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】安定した電力供給が得られる太陽光発電システムを得ること。
【解決手段】複数の太陽電池パネル１と、複数の前記太陽電池パネルを電気的に接続するスイッチ３と、複数の前記太陽電池パネルの発電電流量をモニタし、前記スイッチを制御する制御部９と、を備え、複数の前記太陽電池パネルを接続してストリングとして発電電流量を出力する太陽光発電システムであって、前記制御部は、前記太陽電池パネルの発電電流量に基づいて、発電電流量の低下した前記太陽電池パネルを並列接続し、当該並列接続した前記太陽電池パネルの各々よりも発電電流量が高い前記太陽電池パネルを当該並列接続した前記太陽電池パネルに直列接続して前記ストリングを形成するように前記スイッチを制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽光発電における電力供給制御システムに関するものであり、特に太陽電池パネルの制御方法にかかる太陽光発電システムに関する。

従来の太陽電池パネルを用いた太陽光発電システムにおいては、パワコン（パワーコンディショナー）の制御に必要となる所望の電力を稼ぐために、太陽電池パネルを複数枚、直列接続してストリングとして用いてきた。太陽光発電では、日射量の予測の元に発電量を見込んで、送電線に電力供給を行うが、雲などにより一部のストリングに雲がかかったりすると、そのストリングの出力がダウンするため、送電量が不安定になる。そのため、太陽光発電設備ごとに送電線への接続先が切換えられるように太陽光発電設備に接続先切換え部を設けていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１０５３６号公報

しかしながら、このような太陽光発電設備にあっては、太陽電池パネルを複数枚、直列接続してストリングとして用いるため、パネルの一部に雲がかかってパネルの出力が低下すると、発電出力が低下したパネルによる一番少ない発電電流量に律速されるため、大部分のパネルが十分な発電を行っていても１枚の低い発電電流量の発電パネルに引きずられて、ストリングの出力が低下してしまうといった課題がある。さらに、ストリングがダウンすることで円滑な電力の供給が行えなくなるため、太陽光発電による電力供給が不安定になるという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、発電している太陽電池パネルを無駄なく利用できるとともに、安定した電力供給が得られる電力供給制御システムを備えた太陽光発電システムを提供することを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の太陽電池パネルと、複数の前記太陽電池パネルを電気的に接続するスイッチと、複数の前記太陽電池パネルの発電電流量をモニタし、前記スイッチを制御する制御部と、を備え、複数の前記太陽電池パネルを接続してストリングとして発電電流量を出力する太陽光発電システムであって、前記制御部は、前記太陽電池パネルの発電電流量に基づいて、発電電流量の低下した前記太陽電池パネルを並列接続し、当該並列接続した前記太陽電池パネルの各々よりも発電電流量が高い前記太陽電池パネルを当該並列接続した前記太陽電池パネルに直列接続して前記ストリングを形成するように前記スイッチを制御することを特徴とする。

この発明によれば、太陽電池パネルごとに接続先を選択して所望の電圧を得ることができるため、雲などの陰により突然太陽電池パネルの出力が低下しても、出力低下の無いパネルを選択することが可能となる。また、発電電流量が少ないパネルに関しては、短絡したり、並列接続を行って所望の電流量にしてパネルを直列接続することも可能となるので、太陽電池パネルの発電電流量を有効に利用できるといった従来にない顕著な効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１を説明するための太陽電池ガラスパネルの配置を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態１におけるＦの太陽電池ガラスパネルの接続回路を示す模式図である。 図３は、本発明の実施の形態１において太陽電池ガラスパネルの一部に雲の影がかかった場合の様子を示す模式図である。 図４は、本発明の実施の形態１において太陽電池ガラスパネルの一部に雲の影がかかった場合の回路接続の例を説明するための模式図である。 図５は、本発明の実施の形態２を説明するための太陽電池ガラスパネルの配置を示す模式図である。 図６は、本発明の実施の形態２におけるＦの太陽電池ガラスパネルの接続回路を示す模式図である。 図７は、本発明の実施の形態３におけるＦの太陽電池ガラスパネルの接続回路を示す模式図である。 図８は、本発明の実施の形態４を説明するための太陽電池ガラスパネルの配置を示す模式図である。 図９は、本発明の実施の形態４におけるＦの太陽電池ガラスパネルの接続回路を示す模式図である。

以下に、本発明にかかる太陽光発電システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる太陽光発電システムを説明するための太陽電池ガラスパネル１（太陽電池パネル）のレイアウトを示す模式図である。各太陽電池ガラスパネル１は、図示していないが、パネルごとにセンサによって発電量（発電電流量）がモニタされ、中央司令室９（制御部）でその情報が受け取れるようになっている。太陽電池ガラスパネル１は、隣り合う上下左右の太陽電池ガラスパネル１と３回路切換えスイッチ３の切換えで各太陽電池ガラスパネル１の＋極へ接続、−極へ接続、いずれにも接続しない、三種類の状態を選択できるようになっている。

本実施の形態にかかる太陽光発電システムにおいては、太陽電池パネルごとに接続先を選択できるスイッチが設けられている。例えば、図１のＦの太陽電池ガラスパネル１は、図２に示す回路図の構成で接続先を選択できるようになっている。図２は、Ｆの太陽電池ガラスパネル１の接続回路を示す模式図である。Ｆの太陽電池ガラスパネル１は、２回路切換えスイッチ２と３回路切換えスイッチ３で、接続先を選択することができ、Ｂ、Ｅ、Ｇ、Ｊの太陽電池ガラスパネル１は３回路切換えスイッチ３で、接続先を選択できるように構成されている。各切換スイッチには、スイッチの制御装置が備えられており、制御装置は通信機能を有して中央司令室９（制御部）からの指令に基づいてスイッチの開閉状態を制御する。即ち、Ｆの太陽電池ガラスパネル１に隣接する複数の太陽電池ガラスパネル１は上記スイッチによりＦの太陽電池ガラスパネル１と電気的に接続することが可能である。

さらに、Ｆの太陽電池ガラスパネル１を短絡するための短絡用スイッチ４も設けられている。短絡用スイッチ４を設けることにより、後述するように、発電量が極端に少ない太陽電池ガラスパネル１を迂回した配線接続が可能となり、複数の太陽電池ガラスパネル１からなるストリングの接続方法の自由度を向上することが可能となる。

ここでは、周囲が太陽電池ガラスパネル１で囲われている太陽電池ガラスパネル１の例（パネルＦ：図２）を用いて説明するが、最外周部に配置されているパネル（図１では、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｈ、Ｉ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐ等の太陽電池ガラスパネル１）では、太陽電池ガラスパネル１への接続先の３回路切換えスイッチ３の数が隣接していないパネル分の数だけ少なくなるだけで、短絡用スイッチ４やパワコン（パワーコンディショナー）６やグランドへの接続回路は各太陽電池パネル毎に設けられている。２回路切換えスイッチ２、３回路切換えスイッチ３、および短絡用スイッチ４は制御部（中央司令室９）により制御される。

回路の説明を簡単にするために、ここでは４枚×４枚の太陽電池ガラスパネル１の構成で説明する。例えば、図３に示すように雲の影５が太陽電池ガラスパネル１の一部を覆った場合を考える。ＫとＮの太陽電池ガラスパネル１の発電電流量がＩ／２で、Ｌ、Ｏ、Ｐの太陽電池ガラスパネル１の発電電流量が０で、その他の太陽電池ガラスパネル１の発電電流量がＩであった場合を仮定する。太陽電池ガラスパネル１のＫとＮを並列接続できれば、ＫとＮの太陽電池ガラスパネル１を合わせた発電電流量をＩにできる。

図４は、図３のように太陽電池ガラスパネルの一部に雲の影がかかった場合の回路接続の例を説明するための模式図である。図４に示すように、Ｏの太陽電池ガラスパネル１を短絡スイッチ４で短絡し、Ｏの太陽電池ガラスパネル１の−極をグランドに接続し、Ｏの太陽電池ガラスパネル１の＋極をＫとＮの太陽電池ガラスパネル１の−極と接続し、ＫとＮの太陽電池ガラスパネル１の＋極をＪの太陽電池ガラスパネル１の−極と接続し、Ｊの太陽電池ガラスパネル１の＋極をＩの太陽電池ガラスパネル１の−極に、Ｉの太陽電池ガラスパネル１の＋極をＭの太陽電池ガラスパネル１の−極に、Ｍの太陽電池ガラスパネル１の＋極をパワコン６へ接続するとパネル１枚当たりの発電電圧がＶとした場合、発電電流量がＩで４Ｖの発電電圧のあるストリングが構成されることになる(図４参照)。また、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの太陽電池ガラスパネル１とＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈの太陽電池ガラスパネル１を直列接続した場合、さらに４Ｖのストリングが２つ出来ることになる。実際には、接続されるパワコン６の制御可能電圧まで太陽電池ガラスパネル１の組合せ接続を行う。

即ち、本実施の形態に係る太陽光発電システムは、複数の太陽電池ガラスパネル１を接続してストリングとして発電電流量を出力する太陽光発電システムであって、中央司令室９（制御部）は、太陽電池ガラスパネル１の発電電流量に基づいて、発電電流量の低下した太陽電池パネル（例えば、上記のＫとＮの太陽電池ガラスパネル１）を並列接続し、当該並列接続した太陽電池パネル（例えば、上記のＫとＮの太陽電池ガラスパネル１）の各々よりも発電電流量が高い太陽電池パネル（例えば、上記のＪ、Ｉ、Ｍの太陽電池ガラスパネル１）を並列接続した太陽電池パネル（例えば、上記のＫとＮの太陽電池ガラスパネル１）に直列接続して上記したストリングを形成するようにスイッチを制御する。

従来の構成では、あらかじめストリングとして太陽電池ガラスパネル１が固定的に直列接続されているために太陽電池ガラスパネル１の発電電流量の一番少ない電流に制限されることになる。例えば、図３の例で、太陽電池ガラスパネル１が縦列に直列接続されている場合を考えると、Ａ、Ｅ、Ｉ、Ｍが直列接続されている場合は、電流Ｉになるが、Ｂ、Ｆ、Ｊ、Ｎと直列接続されている部分ではＩ／２になる。さらにＣ、Ｇ、Ｋ、ＯとＤ、Ｈ、Ｌ、Ｐの直列接続では、発電電流量が０となる。すなわち、従来の構成では、雲がかかる前は４Ｉあった総発電電流量が、このように突然雲が太陽電池ガラスパネル１の一部にかかった場合には（３／２）Ｉにまで減少してしまう。即ち、従来の構成では、直列接続されている太陽電池パネルのうちの１枚の太陽電池パネルの出力電流が低下した場合、その電流に、他の太陽電池パネルの電流量が律速されることになる。このため、雲など影が一部の太陽電池パネルにかかった場合、雲の影響の無い太陽電池パネルは十分な出力電流を出せるにも関わらず、雲の影響を受けた太陽電池パネルによって発電電流量が律速されることになると言った問題があった。

一方、本実施の形態にかかる太陽光発電システムの構成によれば、図３のように雲が太陽電池ガラスパネル１の一部にかかった場合であっても総発電電流量が３Ｉとなるため、従来の構成に比べてこの例であればおよそ２倍の発電電流量を提供できることになる。即ち、本実施の形態にかかる太陽光発電システムの構成によれば、発電電流量の少ない太陽電池パネルが存在しても、太陽電池パネルの接続方法を各パネルの発電電流量に基づいて最適化することが可能である。これにより、発電電流量の少ないパネルに律速されない接続が可能となるため、効率よく発電することが可能な太陽電池ガラスパネルを利用した太陽光発電システムを得ることができる。

ここでは、説明を簡単にするために雲がかかったときの発電電流量がＩ／２の太陽電池ガラスパネル１を例として用いて説明したが、実際には、雲を含んだ様々な日照環境に基づいて様々な値の発電電流量をとる各太陽電池ガラスパネル１に対して、中央司令室９で各太陽電池ガラスパネル１の発電電流量をモニタし、総発電電流量が最大となる組み合わせを演算処理して回路の切換えを行う。即ち、雲が動いていく等の様々な日照環境の変化に応じて、随時各太陽電池ガラスパネル１の接続先を見直し、最適な接続先の切換えを実施して行く。また、ここでは雲の例を示したが、電柱や木等の陰が１日の時間変化によって変わっていくような場合においても本実施の形態にかかる太陽光発電システムが、有効に作用することは言うまでもない。

実施の形態２．
実施の形態１においては、上下左右の太陽電池ガラスパネル１との接続例を示したが、さらに斜め方向にある太陽電池ガラスパネル１まで含めた接続を考慮することで、さらにきめ細かな制御が可能となる。図５は、本発明の実施の形態２にかかる太陽光発電システムを説明するための太陽電池ガラスパネル１のレイアウトを示す図である。図５でも図１に示したように、制御部９が全ての太陽電池ガラスパネル１の発電電流量をモニタしているが、簡単のため図５では省略してある。また、図６にＦの太陽電池ガラスパネル１の接続先を示す切換え回路図を示す。図６でも図２に示したように、２回路切換えスイッチ２、３回路切換えスイッチ３、および短絡用スイッチ４は制御部（中央司令室９）により制御されるが、簡単のため図６では省略してある。本実施の形態によれば、接続の接点数が増え、制御が複雑になるが、接続先を図２に比べてよりきめ細かく選択できるようになるため、より効率よく太陽電池ガラスパネル１を利用できるようになる。

本実施の形態の構成によれば、実施の形態１と同様に、太陽電池ガラスパネル１の発電電流の無駄を低減できるため、同じパネル枚数で、より高い発電電流量（発電量）を得ることが出来る。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３におけるＦの太陽電池ガラスパネルの接続回路を示す模式図である。図７でも図２に示したように、２回路切換えスイッチ２、３回路切換えスイッチ３、および短絡用スイッチ４は制御部（中央司令室９）により制御されるが、簡単のため図７では省略してある。図７では、実施の形態１で説明したパワコン６の接続先に、送電線８以外に蓄電池７（蓄電手段）を選択できるようにした例を示している。このような構成とすることで、発電量が計画送電量を上回る場合には、蓄電池７側に電力を蓄えることが可能となる。太陽光発電システムでは、あらかじめ日射量などの情報を元に計画した電流を送電することが出来れば、安定な電力供給源となりうるが、実際には、天候の影響に発電量が左右されるため、発電機と組み合わせて利用される。例えば、急激な天候変化により太陽電池ガラスパネル１の発電量が変動した場合、その変動量に応じて発電機を稼動させる必要があるが、発電機の立ち上りが間に合わない可能性がある。その立ち上り時間を賄うために蓄電池７を組合せる。太陽電池ガラスパネル１の発電量が急激に低下し、送電電力が計画送電電力を下回った場合には、蓄電池７から不足分を補い、発電機を立ち上げることで、安定した電力供給が可能となる。

このような構成の太陽光発電システムとすることで、実施の形態１の太陽光発電システムに比べて、さらに安定した電力供給源とすることが可能である。また、実施の形態２の太陽光発電システムにも適用し、接続先に、蓄電池７を選択できるようにすることが出来ることは、言うまでもない。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４を説明するための太陽電池ガラスパネル１のレイアウトを示す模式図である。図９は、代表的な太陽電池ガラスパネル１としてＦの太陽電池ガラスパネル１が、任意の太陽電池ガラスパネル１と接続できるように構成されている場合の回路構成図を示す。図９でも図２に示したように、２回路切換えスイッチ２、３回路切換えスイッチ３、および短絡用スイッチ４は制御部（中央司令室９）により制御されるが、簡単のため図９では省略してある。図８に示すように全ての太陽電池ガラスパネル１から発電された発電電流量についての情報が中央司令室９に集められる。中央司令室９では、各太陽電池ガラスパネル１の発電量をモニタし、最適な組合せを演算し、接続先を決定する。Ｆ以外の他の太陽電池ガラスパネル１に関しては図示しないが、他の太陽電池ガラスパネル１についても図９に示す回路構成図と同様の回路が形成されている。実施の形態４によれば、配線は複雑になるが、任意の太陽電池パネルと接続することが可能になるため、実施の形態１〜３で示した例より、よりきめ細かな制御を行うことが可能となる。

さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、上記実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかる太陽光発電システムは、複数の太陽電池パネルを備えた太陽光発電システムに有用であり、特に、日照条件が変化する場合における太陽光発電システムに適している。

１ 太陽電池ガラスパネル、２ ２回路切換えスイッチ、３ ３回路切換えスイッチ、４ 短絡用スイッチ、５ 雲の影、６ パワコン、７ 蓄電池、８ 送電線、９ 中央司令室（制御部）。

Claims (5)

1. 複数の太陽電池パネルと、
   複数の前記太陽電池パネルを電気的に接続するスイッチと、
   複数の前記太陽電池パネルの発電電流量をモニタし、前記スイッチを制御する制御部と、
   を備え、
   複数の前記太陽電池パネルを接続してストリングとして発電電流量を出力する太陽光発電システムであって、
   前記制御部は、
   前記太陽電池パネルの発電電流量に基づいて、発電電流量の低下した前記太陽電池パネルを並列接続し、当該並列接続した前記太陽電池パネルの各々よりも発電電流量が高い前記太陽電池パネルを当該並列接続した前記太陽電池パネルに直列接続して前記ストリングを形成するように前記スイッチを制御する
   ことを特徴とする太陽光発電システム。
2. 複数の前記太陽電池パネルは平面状に配置されており、前記スイッチは隣接する前記太陽電池パネルを接続することが可能である
   ことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
3. 前記ストリングの一端にはパワーコンディショナーが接続されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光発電システム。
4. 前記パワーコンディショナーには蓄電手段が接続されている
   ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の太陽光発電システム。
5. 前記太陽電池パネルは、それぞれが短絡用スイッチを備えている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の太陽光発電システム。

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